摘 要：聚焦于初中科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)將工程實(shí)踐融入學(xué)習(xí)過(guò)程中，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維、工程素養(yǎng)和實(shí)踐能力。闡述科學(xué)探究、工程實(shí)踐和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，提出構(gòu)建“設(shè)計(jì)—探究—物化”型工程實(shí)踐項(xiàng)目式學(xué)習(xí)范式。通過(guò)實(shí)例分析，如天平的設(shè)計(jì)制作項(xiàng)目，展示如何圍繞核心概念和學(xué)科本質(zhì)問(wèn)題，開(kāi)展工程實(shí)踐項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生深入理解科學(xué)原理，提升解決實(shí)際問(wèn)題的能力。探討工程實(shí)踐在初中科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中的意義，并指出未來(lái)研究的方向。

關(guān)鍵詞：初中科學(xué)；科學(xué)探究；項(xiàng)目學(xué)習(xí)；工程設(shè)計(jì)

作者簡(jiǎn)介：徐建忠（1981—），男，浙江省杭州市余杭區(qū)良渚第一中學(xué)。

《義務(wù)教育課程方案（2022年版）》強(qiáng)調(diào)，教學(xué)改革的深化應(yīng)從堅(jiān)持素養(yǎng)導(dǎo)向、強(qiáng)化學(xué)科實(shí)踐、推進(jìn)綜合學(xué)習(xí)、落實(shí)因材施教四個(gè)層面著手。同時(shí)，《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）明確了學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)框架，涵蓋科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐和態(tài)度責(zé)任四大維度。在新課標(biāo)的指引下，如何進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的探究實(shí)踐能力成為重要議題。新課標(biāo)指出，“探究實(shí)踐”包括科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實(shí)踐能力以及自主學(xué)習(xí)能力。鑒于此，本文嘗試將工程實(shí)踐融入初中科學(xué)課堂的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，構(gòu)建以素養(yǎng)發(fā)展為導(dǎo)向、科學(xué)思維為基石、探究實(shí)踐為承載的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模式，旨在為融合工程實(shí)踐的初中科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)提供一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與參考。

一、工程實(shí)踐在科學(xué)探究和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中的意義

（一）工程實(shí)踐為科學(xué)探究提供更真實(shí)的學(xué)習(xí)情境

科學(xué)探究教學(xué)在近些年促進(jìn)了教與學(xué)的變革，改變了以傳遞知識(shí)為中心的教學(xué)方式，實(shí)現(xiàn)了以學(xué)生為中心的，讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)自主探究的教學(xué)［1］。但當(dāng)前科學(xué)探究教學(xué)也存在一些問(wèn)題，比如往往從知識(shí)視角提出問(wèn)題，而非學(xué)生視角；科學(xué)探究情境過(guò)于簡(jiǎn)單化、模型化，往往經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化或提煉，而非真實(shí)生產(chǎn)、生活、社會(huì)中的情境，學(xué)生較少接觸復(fù)雜的、結(jié)構(gòu)不良的、綜合的真實(shí)問(wèn)題。

新課標(biāo)提出13個(gè)學(xué)科核心概念，涉及工程實(shí)踐的學(xué)科核心概念有“技術(shù)、工程與社會(huì)”“工程設(shè)計(jì)與物化”。技術(shù)與工程教育培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題涉及的多種能力，包括創(chuàng)意能力，面向真實(shí)情境的創(chuàng)造能力，設(shè)計(jì)能力，知識(shí)的整合、應(yīng)用及物化的能力，基于可靠性、性價(jià)比的方案權(quán)衡和優(yōu)化能力，把有形創(chuàng)造物與無(wú)形的智慧進(jìn)行轉(zhuǎn)化的能力。對(duì)于工程實(shí)踐，不同學(xué)者提出了不同的內(nèi)涵?？死锼雇。–hristine）［2］從工程的認(rèn)知實(shí)踐出發(fā)，提出工程的16個(gè)內(nèi)容維度；雅各布（Jacob）［3］借鑒科學(xué)本質(zhì)的提法，認(rèn)為工程包括工程中的設(shè)計(jì)、制約和目標(biāo)，以及工程知識(shí)的形成等9個(gè)維度。

（二）工程實(shí)踐為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)提供更有效的范式建構(gòu)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)基于學(xué)科中的關(guān)鍵概念和能力。學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)研究關(guān)于一個(gè)學(xué)科關(guān)鍵概念和能力的真實(shí)、有吸引力和復(fù)雜的問(wèn)題、課題或挑戰(zhàn)，從而掌握重要的知識(shí)和技能，包含發(fā)現(xiàn)真實(shí)的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題、對(duì)問(wèn)題展開(kāi)探究、小組合作學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題、公布成果等環(huán)節(jié)。由此可知，工程實(shí)踐突出真實(shí)情境、工程本質(zhì)、設(shè)計(jì)探究和物化產(chǎn)品，設(shè)計(jì)與物化是工程實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)。以工程實(shí)踐學(xué)科核心概念為中心開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，是契合工程實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)的有效路徑?？茖W(xué)探究是工程實(shí)踐項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中的研究方式之一。因此，以“工程設(shè)計(jì)與物化”為學(xué)科核心概念，以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)為學(xué)習(xí)載體，綜合科學(xué)探究的學(xué)習(xí)方式，建立有效的學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)范式，可以為滲透核心素養(yǎng)、促進(jìn)思維發(fā)展、強(qiáng)化學(xué)科實(shí)踐提供有效路徑。綜合而言，工程設(shè)計(jì)與科學(xué)探究密不可分，模型產(chǎn)品物化必然存在迭代再設(shè)計(jì)、再探究，進(jìn)而優(yōu)化的過(guò)程。工程實(shí)踐、科學(xué)探究和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)相輔相成，工程實(shí)踐能提供：1.聚焦核心概念的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題；2.基于問(wèn)題解決的方案設(shè)計(jì)；3.指向證據(jù)的項(xiàng)目實(shí)踐；4.導(dǎo)向工程的結(jié)論或產(chǎn)品。

二、基于工程實(shí)踐的“設(shè)計(jì)—探究—物化”型項(xiàng)目化學(xué)習(xí)范式構(gòu)建

（一）構(gòu)建“設(shè)計(jì)—探究—物化”型工程實(shí)踐項(xiàng)目式學(xué)習(xí)范式

基于上述分析，以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)為載體，聚焦核心概念和學(xué)科本質(zhì)問(wèn)題，構(gòu)建“設(shè)計(jì)—探究—物化”型工程實(shí)踐項(xiàng)目式學(xué)習(xí)范式，如圖1所示。

1.確定驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題與約束條件

深度挖掘核心概念內(nèi)涵，關(guān)聯(lián)學(xué)科本質(zhì)問(wèn)題，匹配適合工程實(shí)踐的教學(xué)內(nèi)容，逐漸形成適合開(kāi)展工程實(shí)踐的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題與約束條件。

2.拆解驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，形成實(shí)施任務(wù)

聚焦驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題與約束條件，以“項(xiàng)目→任務(wù)→問(wèn)題”為主線，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，拆解工程項(xiàng)目。

3.工程項(xiàng)目實(shí)踐

針對(duì)拆解的項(xiàng)目任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生按照任務(wù)進(jìn)行項(xiàng)目實(shí)踐，根據(jù)不同的任務(wù)，可以全部或部分開(kāi)展流程為“形成方案→實(shí)施方案→模型物化→迭代更新”的實(shí)踐活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)—探究—物化”的循環(huán)學(xué)習(xí)。

4.產(chǎn)品物化與成果發(fā)布

形成物化產(chǎn)品，進(jìn)行成果發(fā)布，通過(guò)班級(jí)不同組別間的互評(píng)互學(xué)，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品。

（二）以天平為例，開(kāi)展指向工程實(shí)踐的初中科學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

天平是初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中重要的儀器，但是在關(guān)于天平的科學(xué)教學(xué)中，存在以下問(wèn)題：第一，教材包含質(zhì)量概念、天平結(jié)構(gòu)、天平使用和實(shí)驗(yàn)操作等內(nèi)容，課時(shí)（教參建議兩課時(shí)）限制了對(duì)教學(xué)內(nèi)容的深度挖掘；第二，教師的教學(xué)重點(diǎn)往往在于講授天平的結(jié)構(gòu)和使用方法，沒(méi)有深究為什么天平這樣設(shè)計(jì)，不能促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。學(xué)生停留在機(jī)械的被動(dòng)學(xué)習(xí)中，大部分時(shí)間用于聽(tīng)教師講解或看視頻，沒(méi)有親身體驗(yàn)，也沒(méi)有深度思考。因此，構(gòu)建“設(shè)計(jì)制作天平”項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)天平的過(guò)程中主動(dòng)探究天平測(cè)量的原理，體會(huì)工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理念，形成解決問(wèn)題的思維，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐能力的發(fā)展。

1.聚焦核心概念，確定驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題

“設(shè)計(jì)制作天平”項(xiàng)目化學(xué)習(xí)必須轉(zhuǎn)機(jī)械學(xué)習(xí)為主動(dòng)建構(gòu)，將天平的結(jié)構(gòu)及其使用方法有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生經(jīng)歷天平的設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、使用和修正的過(guò)程，真正理解天平測(cè)量的原理。分析新課標(biāo)，融合工程實(shí)踐的“設(shè)計(jì)制作天平”項(xiàng)目化學(xué)習(xí)涉及以下內(nèi)容。

核心概念：物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、能量的轉(zhuǎn)化與守恒、工程的設(shè)計(jì)和物化。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.以天平的設(shè)計(jì)和制作為主線，學(xué)習(xí)天平的結(jié)構(gòu)及其使用方法，指向結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的科學(xué)觀念培養(yǎng)；2.通過(guò)對(duì)游碼的定標(biāo)設(shè)計(jì)，提升學(xué)生推理論證、創(chuàng)新能力的科學(xué)思維；3.通過(guò)天平的設(shè)計(jì)、制作、使用和更新的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)和工程思維，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，從而鍛煉學(xué)生的實(shí)際探究能力。

驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)可以稱量4 g食鹽的天平？

2.剖析約束條件，拆解項(xiàng)目任務(wù)

基于驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題得出約束條件：稱量4 g食鹽。

項(xiàng)目構(gòu)建過(guò)程要借鑒工程教育理念，實(shí)現(xiàn)從測(cè)試、構(gòu)思到運(yùn)作的螺旋式漸進(jìn)過(guò)程。在任務(wù)拆解和問(wèn)題設(shè)計(jì)時(shí)，有兩種序列：一是真實(shí)問(wèn)題解決序列，教師提供必要的知識(shí)支架：二是學(xué)科概念學(xué)習(xí)序列。項(xiàng)目構(gòu)建應(yīng)按照真實(shí)問(wèn)題解決序列開(kāi)展，促進(jìn)學(xué)生真實(shí)地解決問(wèn)題。因此，上述“設(shè)計(jì)制作天平”項(xiàng)目可以拆解為三個(gè)任務(wù)：設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易天平、迭代改進(jìn)天平設(shè)計(jì)、制作天平使用說(shuō)明書。依據(jù)工程思維，項(xiàng)目過(guò)程應(yīng)涵蓋檢驗(yàn)作品、改進(jìn)完善和發(fā)布成果等環(huán)節(jié)。

3.小組合作探究，設(shè)計(jì)解決方案

在小組合作探究中，問(wèn)題解決貫穿全程，以問(wèn)題挑戰(zhàn)學(xué)生思維，引導(dǎo)學(xué)生思考，使學(xué)生不斷探求解決方案，從而掌握儀器的本質(zhì)原理［4］。學(xué)生開(kāi)展工程項(xiàng)目化方案設(shè)計(jì)，有別于實(shí)際生產(chǎn)、生活中的項(xiàng)目化任務(wù)，教師需要通過(guò)多種方式，提供多樣的教學(xué)支架，推動(dòng)學(xué)生項(xiàng)目進(jìn)行。

任務(wù)一：設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易天平

（1）真實(shí)情境，激發(fā)類比遷移。在明確驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題“如何設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)可以稱量4 g食鹽的天平”后，教師給學(xué)生提供解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)支架。學(xué)生已經(jīng)初步具備關(guān)于質(zhì)量、測(cè)量、天平的知識(shí)，教師通過(guò)提供真實(shí)的情境，可以引發(fā)學(xué)生思考，使其經(jīng)歷直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)、感覺(jué)記憶，整合工作記憶、長(zhǎng)時(shí)記憶，構(gòu)建新知。采用“情境支架”，如學(xué)生生活中接觸過(guò)的蹺蹺板就是一種特殊的天平；小學(xué)時(shí)，學(xué)生接觸過(guò)“辨別殘次品”的題目。可通過(guò)這兩個(gè)情境，喚醒學(xué)生認(rèn)知，激活學(xué)生對(duì)平衡的直覺(jué)模型，構(gòu)建天平的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)和天平平衡時(shí)的姿態(tài)。

（2）架構(gòu)天平，引發(fā)原理探究。任務(wù)拆解和問(wèn)題設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)沿著真實(shí)問(wèn)題解決序列，促進(jìn)學(xué)生真實(shí)地解決問(wèn)題。在學(xué)生初步設(shè)計(jì)天平模型時(shí)，應(yīng)讓學(xué)生試著物化產(chǎn)品，在物化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的不足并加以改進(jìn)。提出真實(shí)問(wèn)題，如如何判斷天平已處于水平平衡？如何調(diào)節(jié)天平以適應(yīng)更廣泛的測(cè)量環(huán)境？實(shí)驗(yàn)室的天平為什么有2個(gè)20 g的砝碼？讓學(xué)生在“判斷平衡的設(shè)計(jì)—完善平衡調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)—對(duì)比反思”環(huán)節(jié)中實(shí)際體驗(yàn)并解決這些問(wèn)題。

4.物化模型產(chǎn)品，測(cè)試迭代優(yōu)化

設(shè)計(jì)過(guò)程是迭代的、反思性的，學(xué)生在實(shí)踐中要根據(jù)測(cè)試反饋，不斷迭代改進(jìn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)工程思維。

任務(wù)二：迭代改進(jìn)天平設(shè)計(jì)

（1）指針優(yōu)化。在指針的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)中，學(xué)生從現(xiàn)有的工業(yè)產(chǎn)品“水平泡精度儀”轉(zhuǎn)向“指針式調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)”，放棄現(xiàn)有成熟的產(chǎn)品，改用更為簡(jiǎn)易的指針。這樣的選擇取決于項(xiàng)目設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、決策能力。

（2）平衡螺母優(yōu)化。平衡螺母是天平調(diào)節(jié)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，學(xué)生經(jīng)歷了“直接在橫梁上放置螺母—在兩端安裝簡(jiǎn)易螺母—改進(jìn)為可調(diào)節(jié)的螺母”的迭代改進(jìn)過(guò)程。學(xué)生在迭代改進(jìn)過(guò)程中，聚焦問(wèn)題解決，尋找最優(yōu)方案，與他人碰撞思維，不斷優(yōu)化工程設(shè)計(jì)。

（3）游碼優(yōu)化。5 g的游碼設(shè)計(jì)，凸顯了設(shè)計(jì)的巧妙，充分滲透杠桿平衡的原理，通過(guò)實(shí)際校準(zhǔn)1 g質(zhì)量的游碼位置，學(xué)生逐漸形成杠桿平衡的概念，為往后學(xué)習(xí)杠桿平衡原理奠定經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。

5.設(shè)計(jì)使用說(shuō)明，學(xué)會(huì)使用天平

任務(wù)三：制作天平使用說(shuō)明書

總結(jié)歸納，設(shè)計(jì)天平的使用說(shuō)明書。天平的使用分為兩種稱量方式，學(xué)生通過(guò)天平產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制作，特別是游碼的設(shè)計(jì)，明白了天平中蘊(yùn)含的杠桿平衡原理。在設(shè)計(jì)天平的使用說(shuō)明書時(shí)，學(xué)生能自然地能歸納出兩類使用方法。

6.評(píng)價(jià)工程項(xiàng)目，深化實(shí)踐認(rèn)知

學(xué)科項(xiàng)目化學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的解決、決策和探究，因此，在評(píng)價(jià)時(shí)需關(guān)注學(xué)生的決策過(guò)程是否基于證據(jù)、學(xué)習(xí)過(guò)程是否規(guī)范、問(wèn)題解決思路是否清晰，最終作品的呈現(xiàn)也需要有相應(yīng)的評(píng)價(jià)依據(jù)，這樣才能真正呼應(yīng)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題。不同類別項(xiàng)目評(píng)價(jià)時(shí)著重的要點(diǎn)不同，本節(jié)課的項(xiàng)目主要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品展示兩個(gè)方向進(jìn)行項(xiàng)目學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，量表設(shè)計(jì)基于證據(jù)、梯度呈現(xiàn)，力求從不同維度開(kāi)展過(guò)程性與總結(jié)性相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式。

三、總結(jié)

綜上所述，指向工程實(shí)踐的初中科學(xué)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)融合工程核心概念和學(xué)科核心概念，突出工程實(shí)踐，使得跨學(xué)科整合變成可能?！霸O(shè)計(jì)—探究—物化”型工程實(shí)踐項(xiàng)目式學(xué)習(xí)范式，以“設(shè)計(jì)—探究—物化”為主線，融合科學(xué)探究、工程設(shè)計(jì)和物化產(chǎn)品，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、工程思維、實(shí)踐能力和探究能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展。

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